0 引言

我国幅员辽阔，地质环境复杂，地质灾害种类繁多，而且强突发性、大破坏力的地质灾害时刻威胁着人民的生命财产安全。因此，对地质灾害进行有效监测，降低其危害性，减少因其造成的生命财产损失很有必要。本文针对地质灾害中较为常见的山体裂缝、山体滑坡以及灾后危石危楼等灾害问题设计了一种云台式地质灾害体位移监测终端。终端以32位高性能微处理器PIC32单片机为核心，结合激光测距技术以及GPRS通信技术，实现对灾害体在立体空间内x、y、z三轴方向上位移变化的实时采集、传输，以期达到实时远程监测的目的。

1 终端总体设计

云台式地质灾害体位移监测终端主要包括终端控制板、GPRS发送模块、云台、数据采集模块、供电模块以及标准测量体，终端总体框图如图1所示^[1]。云台式地质灾害体位移监测终端的主要作用是实时监控现场灾害体空间内的位移变化数据，通过GPRS网络传输到后端的数据平台上。

标准测量体是由激光测距传感器所需反射板构成的多面目标体，固定在灾害体表面随之共同运动。终端的前端是激光测距传感器，它负责测量终端到标准测量体某测量平面的距离，然后将采集到的数据传送给终端控制板。终端控制板负责将接收到的数据进行处理储存，通过同一点前后两次的距离计算出位移数据，然后将位移数据通过GPRS模块发送回后端平台；同时它可以控制云台转动，使激光测距传感器能够对准标准测量体的不同测量平面，以获得能够使后台计算出三轴位移所需的所有距离数据。

2 终端硬件电路设计

2.1 终端控制板

终端控制板以PIC32MX795F512L单片机为核心，总体框架如图2所示。PIC32MX795F512L是MICROCHIP新推出的MIPS32M4K内核的32位单片机。该款芯片具有超低功耗、外设功能丰富、计算性能强等优良特性。它具有一系列能在工作时显著降低功耗的功能，主要包含动态时钟切换、休眠模式工作、基于指令的节能模式等^[2-4]；片上还集成有10位的16通道ADC转换器，其具有最大1 MS/s的转换速度，可以应对精度要求不高的模拟量快速采样。

终端控制板上配置有ADS1256高速ADC转换器，其主要任务是连接数据采集模块数据采集模块，接收模拟量测量数据，并对其进行量化处理。ADS1256是由TI公司生产的工业级高精度低噪声24位串行模数转换器，其最高输出采样速率30 kS/s，可以提供23位的无噪声精度，适用于科学仪器、工业工艺控制、医疗设备等工业应用领域^[4，5]。

终端控制板上还设计有时钟芯片用来记录终端运行实时时钟；EEPROM用来存储初始化参数，如后端服务器地址、终端机器ID、终端工作模式以及终端运行时的其他参数信息；SD卡用来存储终端处理后发送的结果数据以备查询使用，采用循环存储的方式；板上还集成有发送模块接口、云台接口、电源接口以及环境温度采集接口，用以和终端其他部分连接。

2.2 云台

云台上下转动范围+60°～-50°，水平360°旋转， RS485通信进行远距离监控，可实时位置显示，位置精度0.1°。改装后，通过RS485进行通信，可通过指令控制其上下左右匀速转动，可设置/调用128个停止点，可返回停止点角度信息。

2.3 数据采集模块

数据采集模块由GHLM10C型激光测距传感器及其外围电路构成。GHLM10C型激光测距传感器是由武汉承拓电子科技有限公司生产的低功耗高精度激光测距传感器，待机功耗<0.3 W，低电平触发，分辨率0.1 mm，精度1 mm，量程0.05 m～100 m。

2.4 标准测量体

标准测量体三视图如图3所示，A、B、C为三个测量面，由激光测距传感器的发射板制成，B、C两面与A面夹角均为45°，与A相对的为底面，固定在被测灾害体上。

3 终端测量原理及分析

3.1 竖直测量平面计算分析

根据平面几何原理进行图3中竖直测量平面A的相关计算分析，如图4所示，从P点发射的激光打到A平面上，当A移动到A′处时产生的直线位移为d，可以导出水平位移b=d×cosβ1，其中β1为激光射线与水平面夹角，即竖直转角。推广到立体空间内，设水平方向上的转角为α1，则有b=d×cosβ1×cosα1，b也是标准测量体参照发射点P的水平前后方向（x轴）位移。

3.2 倾斜测量平面计算分析

根据平面几何原理进行图3中倾斜测量平面B、C的相关计算分析，两平面计算方法相同，这里以B面为例。当斜面B移动到B’时，同一方向上的激光测点会由O移动到O′，如图5所示，设对斜面测量得到的位移为d′，其水平分量为b′=d′×cosβ2，竖直分量为a′=d′×sinβ2，推广到立体空间内，设水平方向上的转角为α2，则有b′=d′×cosβ2×cosα2，a′=d′×sinβ2×cosα2，标准测量体参照发射点P的水平前后位移为图4中的b，其竖直位移为a即所求。b>0时会出现图5中(1)、(2)、(3)三种情形，(1)中|b′|<|b|，a″=a-a′，b″=b-b′，由于斜面倾角为45°，有a″=b″，求得a=b+a′-b′，方向向上；(2)中|b′|>|b|且|a′|>|a″|，a″=a′-a，b″=b′-b，由于斜面倾角为45°，有a″=b″，求得a=b+a′-b′，方向向上；(3)中|b′|>|b|且|a′|<|a″|，a″=a-a′，b″=b′-b，由于斜面倾角为45°，有a″=b″，求得a=b′-a′-b，方向向下。当b>0时，三种情形的位移方向对应相反，计算公式相同。如此，可以计算出B、C两斜面朝向方向（y轴、z轴）的位移。

4 终端软件设计

4.1 终端定时工作程序设计

终端设备采取定时工作的状态，即设定一定的时间间隔，设备在每次时钟到时时进行一组测量，每组测量分别测量到达标准测量体3个测量面的距离。工作流程如图6所示。

初始化后，检测定时是否到时，不到时则等待休眠，到时后开始采集测量。在进行每个方向上的测量时，对其进行5次AD采样取平均值作为测量结果，减去该点初始测量值作为位移值。将位移值、片上AD采集的环境温度值放入发送缓存数组TXBUF，然后控制云台转向，进行下一个测量点测量。当一组测量完成后，将加入时间数据的发送数组储存到SD卡中，并同时通过3G传输模块发送给后端。测量过程中，云台3点不同的转动角度是在终端设备安装时设定并保存在云台内部芯片上的，这里只需要用指令调用即可。

4.2 指令接收中断程序设计

终端设备要能够接收后端发来的控制指令，以便于对于设备运行状态进行监测和变更，如图7所示。当串口1接收到指令数据时产生接收中断，判别包头和地址后将控制指令从数据包中提取出来，经过查表比对确定要执行的动作，执行后退出中断。这里重要的功能是调取SD卡储存信息、查询\设置定时时间间隔、校准终端设备时钟、修改上传数据的IP地址和接收端口以及使后端直接控制云台转动进行远程应急测量等功能。

4.3 终端设备初始状态设定软件设计

终端设备初始状态的设定主要是设定云台在一组测量中三个预设点，为此设计了一款设定软件，如图8所示。软件通过串口或远程3G网络与终端设备通信，其主要功能是控制云台转动，设定云台初始点以及多个预设定保存到云台芯片中，并能够保存各个设定点相对于初始点的水平旋转角α和垂直旋转角β，设定点的信息会显示在面板的表格中，并且可以生成数据报表，以备后端平台软件解算时调用。

本文以PIC32单片机为核心，利用传感器技术与无线通信技术，对数据进行测量、分析、储存、传输，可以通过GPRS网络远程监测地质灾害现场信息，实现了对灾害体位移数据的实时采集、监测。设备结构简单、成本较低、运行稳定，有较高的实用价值。

参考文献

[1] 徐新凯，孟祥印，郝梦捷，等.基于GPRS的天然气调压站远程监控系统设计[J].电子技术应用，2015，41(10)：13-16.

[2] 张立，王松亭，曾艳丽．基于PIC32MX795的高压开关运行状态在线监测仪的研制[J].仪表技术与传感器，2011(11)：43-47.

[3] 李诚，孙曼，陈庆旭．基于PIC32MX的嵌入式GUI移植与应用[J].电视技术，2013(11)：94-97.

[4] 王晨辉，孟庆佳．基于PIC32和ZigBee的地质灾害监测系统设计[J].电子技术应用，2014，40(2)：68-70.

[5] 周海涛，董全林，周卫宁.ADS1256在多路高精度加速度计数据采集中的应用[J].航空电子技术，2009(4)：15-18.